IoT 기반 단위농가의 스마트 물관리 시스템 구축 및 적용

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06 IoT 기반 단위농가의 스마트 물관리 시스템 구축 및 적용

박 형 근

충북대학교 토목공학부 교수 parkhk@chungbuk.ac.kr

맹 승 진

충북대학교 지역건설공학과 교수 maeng@chungbuk.ac.kr

정 윤 경

㈜이노네스트 대표 ykjung1210@gmail.com

이 수 원

㈜헥코리아 사원 track0614@naver.com

1. 머리말

최근 영농방식의 다변화와 농촌지역의 기계화·산업화가 진행되어, 농 촌지역의 용수 수요증가에 따른 안정적인 농업용수의 공급이 요구되고 있 다. 또한, 기후변화로 인한 가뭄 및 홍수의 발생 빈도가 날로 증가하여 안 정적인 농업용수공급을 위해서는 체계적이며 효율적인 농업용수의 공급 과 관리가 필요하다. 충청권 건설교통기술 지역거점센터에서는 이러한 변 화에 발맞추어 충청권 “지역특성을 반영한 물관리 지원시스템 개발”을 통해 충청권의 단위농가를 대상으로 IoT기반의 효율적인 농업용수의 공급 및 관 리를 위한 물관리 지원시스템의 구축과 적용 사례를 소개하고자 한다.

2. 스마트 물관리 기술이란

농업분야의 스마트 물관리는 효율성이 낮은 자원의 재이용과 다양한 수원공 시설물(Sources)을 이용하기 어려운 기존의 물관리 인프라에 최 신 IoT기술을 도입하여 수자원관리, 용수공급, 하수재이용 등의 정보화 와 지능화를 이루기 위한 기술이다. 스마트 물관리는 첨단 센서 네트워크 를 이용하여 실시간으로 수자원 및 인프라의 상태를 모니터링하고 수집 및 가공된 정보를 관리자 및 이용자들에게 실시간으로 제공하며, 이를 통 해 관리자는 양질의 용수를 효율적으로 공급할 수 있고 이용자들은 수집 된 정보를 바탕으로 수요관리를 하여 물을 절약할 수 있다. 또한 양방향 네트워크가 구축됨에 따라 산재되어 있는 수자원을 공급 및 수요의 관점 에서 통합 관리할 수 있어, 수자원이 부족한 지역으로 용수를 공급하여 지 역 간 수자원 불균형을 해결할 수 있는 기술이다.

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그림 1. 스마트 물공급 개념도

3. 테스트베드 구축 현황 3.1 테스트베드 개요

∙ 위치 : 충청북도 청주시 남일면 고은리 125-1 번지

∙ 테스트베드 면적 : 90m × 6m, 540m²(비닐 하우스 한 개동)

∙ 운영방식 : 테스트베드 내 3개의 섹션 분할 기존 재배방식(A구역, 수동관수)

스마트 관수 재배방식(B, C구역, 자동관수)

그림 2. 테스트베드 위치 및 현황

3.2 재배작물

재배작물은 해당 농민과 협의하여 고추로 선정 하였다. 고추는 4월 하순에 모종을 심어 6월 중순

부터 10월 중순까지 수확할 수 있는 작물로서, 장 기간 성장과정 및 수확물에 대한 모니터링이 가 능한 작물이다. 또한 고추는 유지관리가 용이하 고, 재배 시 관수시기를 정확히 판단하여 물 부족 /과잉이 되지 않도록 관수량의 적정수준을 유지 할 수 있다. 고추 재배 시 적정 관수량 유지가 중 요한 이유는 초반 성장기 시 적정관수량이 공급 되지 않으면 초장의 성장에 영향을 미치게 되어 수확량이 줄어들기 때문이다. 이에 적정 관수량 공급이 성장과 수확량에 미치는 영향을 비교분석 에 적합한 고추를 재배작물로 선정하여 테스트를 진행하였다.

3.3 시설 구성현황 3.3.1 모니터링 시설

테스트베드 내 설치된 모니터링 시설 중 토양 수분센서는 토양수분량 측정을 통해 최적 토양수 분을 유지하기 위해 활용된다. 재배지역의 내·외 부 환경요인 파악을 통해 최적환경 조성을 위한 온·습도 센서, 저류조를 활용한 용수공급 가능 여 부를 파악하기 위한 빗물저류조 수위센서, 시설 의 보안 및 재배작물의 상태를 파악하기 위한 CCTV, 구역별 관수공급량 파악을 위한 디지털 유량계 및 디지털 적산 지시계를 설치하였다.

3.3.2 제어시설

제어시설의 주제어장치는 토양수분센서 값과 빗물저류조 수위센서 값을 분석하여 관수공급시 설의 제어를 통한 적정량 관수공급을 진행하며, 센서 계측 데이터 저장 및 PC 또는 홈넷기반 관수 운영 어플리케이션으로 전송하는 역할을 한다.

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그림 3. 테스트베드 시설 구성 현황

표 1. 모니터링 시설현황

구분 수량(EA) 제품사양

온도 센서 2 ∙측정범위 : -55°C∼100°C ∙측정요소 : Pt1000, 485통신방식

습도 센서 2 ∙측정범위 : 0∼100% ∙측정요소 : 485통신방석

토양수분센서 4 ∙측정범위 : 0∼100% ∙측정요소 : 485통신방석

빗물저류조 수위센서 1 ∙감지거리 : 0.25m∼5m ∙주파수 : 75KHZ, 빔 각도 : 5도

CCTV 4 ∙총화소 : 976(H)×494(V) ∙유효화소 : 976×494(30Fps)

디지털 수도미터/디지털 적산 지시계 3 ∙순시 량 업데이트 : 0.25, 0.5, 1.0, 2.0 Second ∙데이터 저장 EEPROM 10년

표 2. 제어 및 운영 장비 현황

관수공급 스마트 제어장치시스템

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∙통신방식 : RS485

∙I/O : 8out / 4in

∙데이터 저장장치(SSD 500GB)

∙비상용 배터리(전원 차단 대비)

∙현장 수동제어용 조작부

∙심정모터, 저류조펌프 차단기

∙제어전원 차단기

홈넷기반 관수운영 어플리케이션 1

∙LCD 규격 : 255.4 mm / WQXGA TFT LCD(2560X1600)

∙CPU : EXYNOS542

∙사용 주파수 범위

- 2412 ~ 2472 MHz(802.11 b/g/n) - 5180 ~ 5240, 5260 ~ 5320, 5500 ~ 5620,

5745 ~ 5805 MHz(802.11a/n/ac)

∙무선 사용거리 : 최대 30m 이내 사용

홈넷기반 관수운영 어플리케이션은 토양수분 량, 빗물저류조 수위, 온·습도, 구역별 관수공급 량 확인 및 제어함의 원격제어를 통한 스마트 관 수 구역의 자동·수동 관수 변환과 CCTV를 통한 작물의 상태를 확인할 수 있다.

3.3.3 관수공급시설

관수공급시설은 제어시설에서 분석된 토양수 분센서, 빗물저류조 수위센서의 값을 통해 스마 트 관수 구역에 용수를 공급하는 역할을 한다.

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표 3. 관수공급시설 현황

빗물저류조 1 ∙크기 : 8.3m²(A)× 1.2m(H)

∙용량 : 10ton 빗물저류조 펌프 1 ∙출력 : 1.7KW

∙최대양수량 : 28.8KL/hr 지하수 펌프 1 ∙출력 : 1.7KW

∙최대양수량 : 28.8KL/hr 점적관수 라인 - ∙천공 간격 : 20cm

∙천공 크기 : 3mm

그림 4. 테스트베드 운영 Flow Chart

관수공급시설은 빗물집수를 통한 농업용수 절 약 및 비상 농업용수 활용을 위한 빗물저류조, 빗 물저류조 관수공급 펌프, 지하수 관수공급 펌프, 재배지역 토양에 용수 공급을 위한 점적관수 라 인으로 설치되어있다.

4. 운영방법

테스트베드에 적용된 스마트 물관리기술은 그 림 4에서 제시한 바와 같이 모니터링 부분과 분석 부분으로 구분된다. 모니터링 부분은 스마트 물 관리 운영에 필요한 기초데이터를 측정 및 관리 를 진행하며, 분석 부분은 모니터링 된 데이터를 바탕으로 다중수원(빗물저류조, 지하수)에 따른 선택취수와 작물의 생산성을 분석하였다.

4.1 센서 모니터링

센서 모니터링은 농업용수 공급 및 관리를 위 해 계측된 정보를 바탕으로 최적의 관개시기를 파악하여 관개용수의 과소비 방지, 작물 성장에 필요한 최적의 용수량을 파악하고자 진행하였다.

토양수분센서 모니터링은 재배작물이 필요로 하는 최적 수분량 유지와 불필요한 관개를 통한 농업용수의 낭비 억제하기 위해, 온·습도 센서는 작물성장에 알맞은 온도와 습도 조절하기 위해, 저류조 수위센서는 저류량을 상시 모니터링하여 가뭄 또는 빗물의 공급이 원활하지 못할 경우 하 천수를 취수하여 농업용수로 활용하기 위해, 구 역별 관수량은 기존 재배방식 대비 스마트 관수 재배방식의 관수사용량 비교를 위해 모니터링을 하였다. 측정 데이터는 5분 간격으로 데이터베이 스에 저장되어 PC 또는 홈넷기반 관수운영 어플 리케이션으로 확인할 수 있다.

4.2 작물 모니터링

작물 모니터링은 스마트 관수가 재배작물의 성 장 및 수확량에 미치는 영향을 파악하기 위하여 진행되었다. 작물의 성장률 및 수확량 분석을 위 해 2016년 6월 2일 부터 9월 30일까지 작물 모니

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그림 5. 작물 모니터링

그림 6. 스마트관수 운영 흐름도 그림 7. 홈넷기반 관수운영 어플리케이션을 통한 원격제어

터링을 진행하여 주 1회 모니터링 일지를 작성하 였다.

재배작물의 성장 및 수확량 분석을 위해 초장 (작물 길이), 과장(과실 크기), 착과수(과실 수), 색깔, 표면상태, 수확량을 모니터링 하였으며, 구 역별 관수공급량 비교를 위한 용수사용량, 재배 지역의 온습도에 영향을 미치는 날씨까지 8개 항 목을 선정하여, 기존 재배방식과 스마트 관수 재 배방식의 작물성장을 비교 분석하였다.

4.3 스마트관수 운영로직

스마트 관수구역의 운영로직은 B, C구역에 설 치된 토양수분센서를 통해 토양수분량을 분석 후

토양수분량이 25% 미만일 경우 빗물저류조 펌프 를 통해 스마트관수가 진행되도록 설정되어 있다.

스마트관수는 빗물저류조 내에 저장된 물부터 우선 사용하도록 설정이 되어있으며, 빗물저류조 수위센서 값 분석 결과 빗물저류조 수위가 20cm 미만일 경우 지하수 펌프를 통해 테스트베드에 관수 공급이 진행된다.

4.4 홈넷기반 관수운영 어플리케이션

재배지역을 원격 제어 및 관리를 할 수 있는 홈 넷기반 관수운영 어플리케이션을 활용하여 재배 지역을 직접 방문하지 않고 구역별 관수공급 진 행 및 재배지역에 설치된 센서를 통해 빗물저류 조 수위, 온·습도, 토양수분량, 구역별 관수공급 량 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 CCTV화면 조 회를 통해 재배지역 내외부의 상황을 파악할 수 있다.

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표 4. 빗물저류조, 지하수를 이용한 관수공급량 분석결과 구분 A구역(m³) B구역(m³) C구역(m³)

관수공급총량 19.5 41 47.5

저류조 사용 공급량 17.88 37.6 43.55

지하수 공급량 1.62 3.4 3.95

저류조공급비 91.7% 91.7% 91.7%

그림 8. 관수사용량 분석

그림 9. 구역별 관수사용량 분석

5. 운영성과 5.1 모니터링 성과

센서 데이터 모니터링은 설치 후 테스트가 완 료된 2016년 6월 2일부터 모니터링 종료일인 2016년 9월 30일까지 데이터를 실시간(5분 단위) 으로 축적 하였으며, 계측데이터는 서버에 저장 되어 측정데이터 값을 확인할 수 있다.

스마트 관수공급 지역인 B, C구역은 토양수분 량이 25% 미만으로 내려갈 경우 저류조 우선순위 설정에 따라 빗물저류조를 사용하여 관수공급이 진행 되었으며, 저류조 수위가 20cm 이하일 경 우 지하수를 사용하여 관수공급이 진행되었음을 표 4와 같이 빗물저류조, 지하수를 이용한 각 구

역별 관수공급량 분석을 통해 확인하였다.

저류조를 활용한 관수량 분석의 경우 재배지역 으로 공급되는 총량(108m³) 중 저류조에서 91.7%

를 사용하였으며, 지하수는 8.3% 사용된 것으로 분석되었다.

구역 별 관수량은 C구역이 가장 많은 것으로 나타났다.

5.2 생산성(생산품질) 분석 성과

재배작물 고추 성장에 대한 모니터링 분석 결 과 초장(고추나무 크기)의 평균 성장률은 스마트 관수공급 지역인 C구역(114.1%)이 가장 크게 성 장하였으며, A구역(111.3%), B구역(91.2%) 순서 로 성장률이 나타났다. C구역은 작물이 전체적으 로 비슷한 크기로 성장하였으며, A구역보다 1%, B구역보다 20% 정도 크게 성장하였다. 스마트 관수공급 시스템을 활용한 C구역이 관수량이 제 일 많지만 초장성장에 영향을 준 것으로 관측되 었다.

과장(과실의 길이) 또한 초장의 평균길이도 초장 과 같이 스마트 관수공급 지역인 C구역이 14.9cm 로 가장 크게 나타나 A구역보다 1.7%, B구역보 다 8% 정도 크게 성장하였다.

표 5에서 나타난 B구역의 평균 성장률이 가장 높게 나타난 이유는 관측 초반 B구역의 과장이 가장 짧은 점을 감안한다면 스마트 관수공급 지 역인 C구역의 과실이 가장 크게 자란 것으로 나 타났다.

5.3 생산성(생산량) 분석 성과

생산성은 각 구역별 착과수와 작물 수확량을 통해 분석하였다. 착과는 총 2차례(7/15, 9/17)

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표 5. 구역별 과장 및 성장률 분석

구분 과장(cm) 성장률

(%) 구분 과장(cm) 성장률

MIN MAX MIN MAX MIN MAX (%)

A-1 6.5 13.0 100 B-1 1.5 12.0 700 C-1 9.0 15.0 66.7

A-2 10.0 17.5 75.0 B-2 10 12.0 20.0 C-2 7.5 15.0 100.0

A-3 7.0 14.0 100 B-3 6.0 16.0 166.7 C-3 10.5 18.0 71.4

A-4 4.0 15.0 275 B-4 7.5 13.0 73.3 C-4 9.0 17.0 88.9

A-5 6.0 12.5 108.3 B-5 6.5 15.0 130.8 C-5 6.0 14.0 133.3

A-6 8.0 16.0 100 B-6 8.5 16.5 94.1 C-6 12.0 15.0 25.0

A-7 9.5 14.0 47.4 B-7 5.0 10.0 100 C-7 5.5 13.0 136.4

A-8 10.0 15.0 50.0 B-8 6.0 15.0 150 C-8 5.5 12.0 118.2

평균 7.6 14.6 92.1 평균 6.4 13.7 109.4 평균 8.1 14.9 82.7

그림 10. 구역별 과장의 생산품질 비교 그래프

표 6. 과장의 착과수 및 수확량 분석 데이터

구분 착과수(개수) 작물

수확량(kg) 7/15(최대) 9/17

A구역 406 143 300

B구역 338 139 339

C구역 438 183 377

그림 11. 과장의 수확량 비교 그래프

진행하였으며, C구역이 총 621개로 가장 많이 착 과 되었으며, 작물 수확량은 377kg으로 측정되 었다. 스마트 관수공급 지역인 C구역의 생산량이 A구역보다 20%, B구역보다 10%정도 많이 생산 되었다.

6. 맺음말

농업용수의 확보 및 효율적인 관리를 위해 물관리 지원시스템을 개발 및 최적화를 위한 연구를 진행하 고 있으며, 기존의 IoT기반의 농업용수의 관리는 많 은 연구, 사업에 의해 수행되어지고 있다. 이러한 연 구는 농업저수지, 큰 하천의 보 등의 관리를 위해 진 행되고 있으며, 농가 중심으로 농업용수의 관리가 이루어지고 있지는 않다. 물관리 지원시스템이 테스 트베드에 적용됨으로써 단위농가를 대상으로 가뭄 및 홍수에 인한 농작물의 피해를 최소화 시키며, IoT기반의 물관리지원 시스템을 통한 농업용수를 효율적으로 관리가 가능해 질것으로 사료된다. 물관 리 지원시스템 범위를 농촌지역의 최소단위인 단위 농가를 중심으로 물관리 지원시스템의 구축을 통해 지능형 물관리를 수행하고자 하며, 시스템의 확산 및 구축함에 따라 농촌지역의 용수 사용량, 부족량 등의 정보를 공유할 수 있는 농촌지역의 지능형 농업 용수의 관리가 가능해질 것으로 기대할 수 있다.

7. 감사의 글

본 연구는 국토교통부 건설교통기술 지역특 성화사업 연구개발사업의 연구비지원(16RDRP-

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B066173-04)에 의해 수행 되었습니다.

참고문헌

1. 국토교통과학기술진흥원, 2016, 국토교통기술지 역특성화사업 제3차년도 최종보고서.

2. 오승태, 2014, 농업용수 최적 공급량 산정을 위한 스마트 물관리 기술, 한국관개배수회지, 53호.

3. 충청권 국토교통기술 지역거점센터, 2016, 분산형 수재생 지하저류조를 활용한 자동관수공급시설.